一种轨道板辐射制冷涂层材料及其制备方法和应用

本发明涉及涂层材料，尤其涉及一种轨道板辐射制冷涂层材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、高速铁路以其极高的运输效率和舒适的乘坐环境成为人们中长途旅行的首选，代表了当代铁路运输技术的顶峰。近年来，高速铁路得到了快速发展和广泛应用。无砟轨道是一种利用混凝土或沥青混合料作为连续坚实基础的轨道结构，具有很强的整体完整性和高平整度。无砟轨道得益于混凝土的高刚度，一般具有抗变形能力，具有较高的长期稳定性和耐久性。无砟轨道自20世纪70年代引进以来，在世界范围内得到了迅速发展，在21世纪初中国也取得了长足的发展。其应用已从铁路扩展到桥梁、隧道和公路基础设施，成为高速铁路轨道结构的主流。无砟轨道主体结构由上至下由钢轨、连接紧固件、混凝土轨道板、水泥乳化沥青砂浆、混凝土支撑层组成。其中，轨道板结构的作用是有效地传递列车运行所带来的动、静载荷，对列车的安全性、舒适性起着至关重要的作用，保证其设计的高质量、高精度是必要的。而在全球气候变暖的背景下，极端高温事件频率显著增加，高温条件下轨道板内部热负荷严重。这些热负荷诱发了一系列的热病害，主要表现为裂缝、上拱和上拱间隙等，极端高温（表面达60℃）下因热应力导致的开裂、翘曲及层间分离等问题极大的威胁了高速铁路的行车安全。

2、传统的温度控制措施主要依赖于材料改进和外部冷却设备，但这些方法存在高成本、能耗大、效果不持久等问题，难以满足高效、经济、可持续发展的要求。目前针对无砟轨道板热调控方法的相关研究较少，主要由制冷管换热法和涂层防护法。

3、制冷管换热是通过在轨道板中埋设换热管，以管中的流体作为换热介质将温度带走，是较为完整系统的一种方法。但也存在一些不足之处：冷却管系统安装过程复杂，维护成本高；制冷管系统的建设和维护成本较高，需要定期检查和清理，而且在寒冷季节，如果未能有效排除系统中的流体，存在冻结的风险，可能导致管道破裂和系统损坏；此外，制冷管系统通常需要耗费一定的电力来维持管内流体的流动和换热过程，大大增加了系统的能耗成本，对于长距离和大面积的高铁轨道网络而言能耗成本显著更高。这些问题都限制着制冷管法的应用。

4、涂层防护法主要有反射涂料和反射隔热涂料。反射涂料主要通过高太阳光反射率（尤其是对近红外光）来减少热量吸收；反射涂料对太阳光反射率较高（通常0.5-0.8），尤其是对可见光；但对近红外光的反射能力有限，其性能有待进一步提高。反射隔热涂料在反射涂料基础上，通过添加特殊填料，同时提升反射率和隔热性能（阻隔热量传导）；其太阳光反射率相较于普通反射涂料更高（通常＞0.8）；但由于含有隔热骨料，导热系数低，阻隔热量向墙体内部传递，在高温环境条件下其降温效果有所不足。

5、针对以上几种现有无砟轨道板热调控方法的缺陷，十分有必要进一步研究出冷却效果更好的涂层材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种轨道板辐射制冷涂层材料及其制备方法和应用。

2、本发明设计了一种新型辐射冷却涂层，旨在通过在轨道表面涂覆具有辐射制冷性质的涂料，调控轨道板表面的热辐射特性，降低轨道板的得热，减缓整体轨道温度的升高速率，减小热应力积累；解决高速铁路无砟轨道板的热挑战。为管理无砟轨道板的热条件提供了一种可持续、低维护且降温效果更明显的解决方案，具有环境可持续性，低维护要求和成本效益，无需外部能量输入即可提供高效的被动冷却解决方案；未来在铁路基础设施中的实施具有广阔的潜力。

3、轨道板在室外环境中的传热过程主要包括接收外部太阳辐射、与大气的热对流交换以及与周围环境的辐射热交换。辐射冷却涂层可以减少外界太阳辐射的吸收，增强轨道板的辐射散热，从而实现有效的热控制。理想的轨道板辐射冷却涂层应在0.3-2.5μm波段具有高反射率，在8-13μm波段具有高发射率，以实现轨道板的高效散热。

4、首先，减少太阳辐射的吸收是辐射冷却涂层对轨道板进行热管理的最直接途径。太阳辐射是地球上最重要的能源，太阳辐射到达地表时也会被大气中的各种成分散射吸收，因此到达地面时的有效太阳辐射波段主要在0.3μm至2.5μm之间。通过在轨道板表面涂覆0.3-2.5μm波段的高太阳反射率辐射冷却涂层，可以有效阻挡紫外线和可见光区域的辐射，减少太阳辐射能量对轨道板的吸收，从而避免太阳辐射引起的热量积聚。这不仅可以有效降低轨道板的表面温度，还能减少温度升高可能引起的热膨胀和变形，延长轨道板的使用寿命。

5、其次，增强轨道板与环境之间的辐射传热是辐射制冷涂层的另一个重要功能。物体的辐射主要是通过向寒冷的外层空间（约2.7k）发射红外辐射来实现的，在8-13μm波段（“称为大气窗口”），物体发出的大部分辐射可以直接穿过大气层到达寒冷空间，从而实现有效散热。其他波段（如3-5μm）波长的辐射虽然也会辐射到外层空间，但当它们穿过大气层时会被吸收和散射，大部分热量被大气吸收后再重新辐射到地面，形成所谓的“温室效应”，降低了辐射散热的效率。通过在轨道板表面涂上具有良好红外发射率的辐射冷却涂层，特别是在8-13μm的红外波段，可以有效提高轨道板的辐射散热能力，从而优化传热过程，使轨道板在昼夜温度条件下始终保持较低的表面温度。

6、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

7、第一方面，本发明提供了一种轨道板辐射制冷涂层材料，含有有机硅基体和填料；所述填料至少含有二氧化钛、中空玻璃微球和无机硅化合物。

8、本发明的辐射制冷涂层材料，以至少含有二氧化钛、中空玻璃微球和无机硅化合物的组合物作为填料，二氧化钛作为主要太阳光宽谱高反射功能相（高反射太阳辐射功能相），为实现高反射辐射制冷效应的关键组分，其在体系中不可缺少；中空玻璃微球作为低导热多界面光散射结构组分（低导热热阻隔与多界面散射结构相），用于构建热阻隔层与增强光散射路径，其在体系中亦为不可缺少组分；无机硅化合物（二氧化硅、氮化硅及碳化硅等）用于构建多尺度无机散射骨架结构，可一种单独或多种组合使用，用于调控涂层内部光散射路径与提高发射率。

9、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述无机硅化合物为二氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种或多种。

10、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述辐射制冷涂层材料中有机硅基体的质量百分含量为20%~40%，有机硅基体与填料的质量比为20~40:30~50。

11、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述辐射制冷涂层材料还含有溶剂、固化体系或功能助剂。

12、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述填料与溶剂、固化体系、功能助剂的质量比为30~50:20~40:1~10:1~20。

13、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述填料与溶剂、固化体系、功能助剂的质量比为30~50:20~40:1~5:1~5。

14、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述辐射制冷涂层材料中有机硅基体的质量百分含量为25%~35%，有机硅基体与填料、溶剂、固化体系、功能助剂的质量比为25~35:35~45: 25~35:2~3:2~3。

15、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述辐射制冷涂层材料中有机硅基体的质量百分含量为25%，有机硅基体与填料、溶剂、固化体系、功能助剂的质量比为25: 45: 25:2.5:2.5。

16、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述有机硅基体包括硅油或硅橡胶中的至少一种；所述硅油包括聚二甲基硅氧烷。

17、有机硅基体在辐射制冷涂层材料中用于提供柔性弹性支撑与热-力耦合适应性，可根据服役环境在硅油、硅橡胶之间进行选择性替换。

18、本发明优选采用聚二甲基硅氧烷作为有机硅基体，其具有良好的成膜性能、耐候性能及与功能填料的相容性，能够满足轨道板辐射制冷涂层的使用要求。可参照聚二甲基硅氧烷的性能指标，在保证良好分散性、施工性、附着力及成膜性能的前提下，对相关参数进行适当调整或选用性能相近的有机硅材料进行替代；粘度约4000～6000 mpa·s的性能相近的有机硅均可。

19、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述固化体系包括固化剂和催化剂，所述固化剂与催化剂的质量比为10:1；优选地，所述固化剂包括含氢聚硅氧烷；所述催化剂包括铂系催化剂。固化体系中固化剂和催化剂的用量比可以根据本领域常识结合实际需要调整。

20、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述溶剂包括乙酸乙酯、丙二醇甲醚醋酸酯和乙酸丁酯中的一种或者多种；所述功能助剂包括硅烷偶联剂。

21、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述填料还含有硫酸钡或氧化锆。

22、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述填料还含有硫酸钡。二氧化钛提供高折射率散射，硫酸钡增强近红外反射能力，二氧化硅提升中红外辐射发射性能，中空玻璃微球通过引入内部空腔结构延长光传播路径并降低材料导热系数；各组分在不同尺度和波段协同作用，使涂层在“高反射+高发射+低导热”三个方面实现综合优化。

23、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述填料中二氧化钛与硫酸钡的质量比为(5~30): (5~30)。

24、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述填料中二氧化钛与硫酸钡的质量比为(20~25): (10~15)。

25、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述填料中二氧化钛与硫酸钡的质量比为25: 10。

26、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述硫酸钡为微米硫酸钡，硫酸钡的粒径为8~12μm。

27、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述二氧化钛的粒径为100nm~500nm。

28、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述二氧化钛的粒径为100nm~300nm。利用该粒径范围的二氧化钛作为填料，辐射制冷涂层材料在0.3-2.5μm波段的平均反射率更高。

29、作为本发明所述辐射制冷涂层材料的优选实施方式，所述二氧化钛的粒径为300nm。当粒径约为300 nm时，辐射制冷涂层材料制备的涂层在可见光及近红外波段具有更优的综合反射性能，在0.3-2.5μm波段的平均反射率最高。

30、第二方面，本发明提供了上述辐射制冷涂层材料的制备方法，其包括以下步骤：

31、s1、将填料的各原料混合均匀，得到填料；

32、s2、将有机硅基体与固化体系、溶剂和/或功能助剂，混匀，得到基体混合物；

33、s3、将填料与基体混合物混合并分散至无可见颗粒，得到辐射制冷涂层材料。

34、第三方面，本发明提供了上述辐射制冷涂层材料在制备辐射制冷涂层中的应用。

35、第四方面，本发明提供了一种轨道板辐射制冷涂层，利用辐射制冷涂层材料涂覆得到。

36、作为本发明所述轨道板辐射制冷涂层的优选实施方式，所述涂覆的方式包括喷涂、刮涂等。涂覆的方式包括但不限于喷涂、刮涂，涂覆的方式均可以根据情况选择。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

38、（1）本发明的辐射制冷涂层材料以二氧化钛、中空玻璃微球、二氧化硅等无机硅化合物作为填料，二氧化钛作为高反射太阳辐射功能相，为实现高反射辐射制冷；中空玻璃微球作为低导热热阻隔与多界面散射结构相，构建热阻隔层与增强光散射路径；无机硅化合物用于构建多尺度无机散射骨架结构，三者协同作用，同步提高涂层材料的太阳反射率和红外发射率；本发明的辐射制冷涂层材料制备辐射制冷涂层降温效果显著，最大温差可降低至7.22℃，表面温度梯度降低约73%，显著减弱了轨道板内部的热积聚现象，有效减缓了轨道板结构的热变形与热应力积累；不仅能够降低轨道板表面温度，还能够显著改善轨道板结构的温度梯度分布及热-力响应特性，从而有效抑制高温环境下轨道板开裂、上拱及层间界面脱空等热致病害，减轻无砟轨道热损伤；

39、（2）本发明的辐射制冷涂层材料制备辐射制冷涂层低成本、原料易于合成、对环境影响小且维护要求低，应用成本明显低于与主动冷却系统相关的成本，是高温地区高铁基础设施的一种经济高效、可扩展且能源中和的解决方案，在提高高温气候条件下高速铁路系统的稳定性、寿命和可持续性方面具有巨大潜力，有望成为未来铁路基础设施的重要组成部分。